p A eletrônica é baseada na manipulação de elétrons e outros portadores de carga, mas além de cobrar, os elétrons possuem uma propriedade conhecida como spin. Quando o spin é manipulado com campos magnéticos e elétricos, o resultado é uma corrente polarizada por spin que transporta mais informações do que seria possível apenas com carga. Eletrônica de transporte giratório, ou spintrônica, é um assunto de investigação ativa dentro da Europa Flagship Graphene. p Spintrônica é o estudo e exploração em dispositivos de estado sólido de spin eletrônico e seu momento magnético associado, junto com a carga elétrica. Alguns consideram o assunto esotérico, dada a física e química quântica conceitualmente desafiadora que a sustenta, mas o mesmo já foi dito sobre o que hoje é a eletrônica convencional. A realidade é que a spintrônica é um campo em maturação da ciência aplicada e da engenharia, bem como ciência pura fascinante em seu próprio direito.

p Spin eletrônico e lógica quântica

p Antes de olhar para a spintrônica no grafeno, é importante notar que a spintrônica já está estabelecida em uma área crítica da eletrônica digital, ou seja, armazenamento de dados.

p O spin pode ser considerado a rotação do elétron em torno de seu próprio eixo. É uma forma de momento angular intrínseco, e pode ser detectado como um campo magnético com uma de duas orientações:para cima e para baixo. Combine essas orientações magnéticas com os estados de corrente liga / desliga na lógica binária, e temos um sistema de quatro estados, com as duas orientações magnéticas formando um bit quântico, ou qubit.

p Em termos de tecnologia de computação, quatro estados em vez de dois fornecem velocidades de transferência de dados mais altas, maior poder de processamento e densidade de memória, e maior capacidade de armazenamento. O spin do elétron fornece um grau adicional de liberdade para armazenar e manipular informações.

p As cabeças de leitura dos discos rígidos magnéticos modernos exploram os efeitos relacionados ao spin, conhecidos como Magnetoresistência Gigante (GMR) e Magnetoresistência de Túnel (TMR). Em dispositivos GMR, duas ou mais camadas de materiais ferromagnéticos são separadas por um espaçador. Quando os vetores de magnetização das camadas magnéticas estão alinhados, a resistência elétrica é menor do que quando os vetores estão no sentido oposto. Um dispositivo baseado em tal configuração é conhecido como válvula de rotação. Em TMR, O transporte de elétrons é realizado por tunelamento mecânico quântico das partículas através de um isolador que separa as camadas ferromagnéticas.

p Em ambos os casos, o resultado é um sensor de campo magnético que pode ser usado para ler dados codificados magneticamente em pratos de disco rígido. E não apenas discos rígidos. Dois tipos de memória de computador - memória de acesso aleatório magnetorresistiva e memória de pista de corrida - também exploram o spin do elétron.

p Transporte de spin em grafeno

p Grafeno, uma monocamada atômica de carbono grafítico, é um material promissor para aplicações de spintrônica devido à sua capacidade de transporte de spin à temperatura ambiente em comprimentos de difusão relativamente longos de vários micrômetros. O grafeno também tem alta mobilidade de elétrons, e uma concentração de portador de carga ajustável.

p O interesse no transporte de spin à temperatura ambiente no grafeno remonta a 2007, com experimentos realizados pelo grupo de pesquisa do físico da Universidade de Groningen e importante cientista da Graphene Flagship Bart van Wees. Uma discussão dessa primeira demonstração prática de transporte de spin, junto com uma visão geral técnica detalhada da spintrônica do grafeno na teoria e na prática, pode ser encontrada em artigo publicado ano passado na revista acadêmica Nature Nanotechnology . Um dos autores da revisão é Jaroslav Fabian, cientista emblemático de Regensburg.

p Os experimentos do grupo van Wees e estudos subsequentes mostraram uma eficiência de injeção de spin relativamente baixa de cerca de 10%, que foi atribuída a uma incompatibilidade de condutância entre os metais ferromagnéticos e o grafeno, ou outros efeitos relacionados ao contato. Eficiências consideravelmente mais altas foram alcançadas usando filmes finos de óxido de magnésio como a barreira do túnel.

p Outras abordagens também foram empregadas, incluindo contatos pinhole através de uma barreira isolante, contatos transparentes, em que os eletrodos ferromagnéticos estão em contato direto com a camada de grafeno, e o uso de metais não magnéticos como o cobre. No caso de tunelamento através de uma barreira isolante, a maior magnetorresistência medida foi 130 ohms, correspondendo a uma eficiência de injeção de rotação de mais de 60%.

p Mudar de estudos em pequena escala para investigações de transporte de spin em grafeno de grandes áreas é um passo fundamental para habilitar a spintrônica do grafeno na escala de wafer de circuito integrado. O foco aqui tem sido o transporte de spin em camadas suspensas de grafeno, e grafeno depositado em substratos de nitreto de boro hexagonal (hBN). Conforme a tecnologia avança, maiores comprimentos de spin e tempos de vida são observados, e um exemplo prático de tal heteroestrutura de grafeno-hBN será discutido em um artigo de acompanhamento.

p Fazendo grafeno magnético

p Criando ordem magnética no grafeno, que em seu estado original é um material fortemente diamagnético, é um grande desafio. Apesar disso, induzir momentos magnéticos no grafeno é de vital importância se o material for usado em spintrônica. A esperança é ter um magnetismo sintonizável por dopagem ou funcionalização do grafeno. Isso pode ser alcançado por meio de defeitos na estrutura de cristal hexagonal do material, ou a influência dos átomos adsorvidos em sua superfície.

p O grafeno hidrogenado é um caso de referência para o magnetismo do grafeno, com átomos de hidrogênio absorvendo quimicamente no grafeno de maneira reversível. Isso cria um desequilíbrio na estrutura cristalina, induzindo um momento magnético. Outro adatom interessante é o flúor, que se liga ao carbono, transformando o grafeno em um isolante de grande abertura. Tal como acontece com o hidrogênio, o flúor pode ser quimisorvido reversivelmente no grafeno.

p "O grafeno é um material promissor para a spintrônica, dado que suas propriedades de spin não só podem ser adaptadas, mas, de fato, definido por quais adátomos e outros materiais 2D você combina com ele, "diz Fabian." Uma vez que os materiais certos são identificados - e é isso que estamos investigando no carro-chefe - um caminho se abre para aplicações tecnológicas específicas. "

p Um átomo de carbono ausente, ou vaga na estrutura do grafeno, cria uma densidade de elétrons com polarização de spin removendo quatro elétrons das bandas, três dos quais formam estados de 'vínculo pendente'. Duas dessas ligações pendentes contribuem com momentos magnéticos, mas faltam evidências diretas do magnetismo π previsto.

p Estendendo a vida útil do giro

p A maximização da vida útil do spin é crítica quando se trata de aplicações de spintrônica de grafeno. A teoria prevê vidas de cerca de um microssegundo para o grafeno puro, enquanto o experimento mostra valores que variam de dezenas de picossegundos a alguns nanossegundos. Somente com tempos de vida de nanossegundos e mais longos, o transporte de spin no grafeno se mostrará útil em aplicações do mundo real. A discrepância de mais de duas ordens de magnitude é uma preocupação séria, e sugere que a fonte de relaxamento do spin é de origem extrínseca, como impurezas, defeitos ou ondulações no grafeno estudado.

p Tempos de vida de spin de alguns nanossegundos foram observados experimentalmente para válvulas de spin de grafeno em substratos de dióxido de silício com contatos de tunelamento, mas com contatos pinhole os tempos de vida medidos são apenas uma fração de um nanossegundo. O relaxamento do spin induzido pelo contato é um fator significativo. Isso pode ser minimizado melhorando a qualidade dos contatos, e tornando a distância entre os eletrodos ferromagnéticos muito maior do que o comprimento de relaxação do spin do grafeno em massa.

p Apesar de vários estudos teóricos, a origem do relaxamento do spin no grafeno é pouco compreendida. Dois mecanismos foram propostos para explicar as tendências experimentais. Ambos têm suas origens na spintrônica de metal e semicondutores, e cada um deles depende do acoplamento spin-órbita e espalhamento de momento. O acoplamento spin-órbita é a interação do spin de um elétron com seu movimento, o que leva a mudanças nos níveis de energia atômica da partícula como resultado da interação entre o spin e o campo magnético gerado pela órbita do elétron em torno do núcleo atômico.

p O problema é que nenhum dos mecanismos de relaxamento de spin propostos funciona. Ambos prevêem tempos de vida de microssegundos, no entanto, os experimentos mostram alguns nanossegundos, na melhor das hipóteses. O único mecanismo que concorda com o experimento para grafeno de camada única e bicamada é baseado no espalhamento ressonante por momentos magnéticos locais. Este modelo foi proposto pelo grupo de pesquisa de Fabian em Regensburg.

p O que estudos recentes indicam é que a mobilidade do elétron não é o fator limitante para o tempo de vida do spin, e o espalhamento entre as partículas carregadas e as impurezas não é o principal responsável pelo relaxamento do spin no grafeno. Dito isto, determinar a fonte primária de relaxamento de spin continua a ser um desafio importante para os pesquisadores de grafeno. Identificá-lo deve ajudar a aumentar a vida útil do spin no grafeno em direção ao limite teórico, que terá implicações importantes tanto para a ciência básica quanto para as aplicações tecnológicas.

p Direções futuras

p Na conclusão de sua revisão da Nature Nanotechnology, Fabian e seus colegas consideram o grafeno em dispositivos lógicos baseados em torque de transferência de spin que usam spins e ímãs para processamento de informações. Dispositivos spin-lógicos agora fazem parte do International Technology Roadmap for Semiconductors, com vista à sua inclusão em futuros computadores.

p Exemplos de dispositivos de lógica de rotação incluem microchips regraváveis, transistores, portas lógicas, sensores magnéticos e nanopartículas semicondutoras para computação quântica. Estas e outras oportunidades para a spintrônica à base de grafeno são discutidas no recentemente publicado "Mapa de estrada de ciência e tecnologia para grafeno, cristais bidimensionais relacionados, e sistemas híbridos ". O roteiro foi desenvolvido no âmbito do Europe's Graphene Flagship - um consórcio acadêmico / industrial internacional, co-financiado pela Comissão Europeia, dedicado ao desenvolvimento de grafeno e outros materiais em camadas.

p Spintrônica pode ser um campo relativamente jovem de pesquisa e desenvolvimento, mas nos últimos anos temos visto um progresso significativo em direção a longos tempos de vida de spin e comprimentos de difusão em grafeno e materiais relacionados. Os pesquisadores da Graphene Flagship estão no centro desse esforço mundial.